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质谱仪的离子检测器分类及结构原理
来源:EWG1990仪器学习网 | 作者:guiyisci | 发布时间: 2019-10-21 | 115 次浏览 | 分享到:
【摘要】 质谱仪中离子检测器用于检测和记录离子流的强度。无机和同位素质谱的离子检测器通常有法拉第杯、分离打拿极电子倍增器、通道式电子倍增器、微通道板以及闪烁光电倍增器(Daly)等,加速器质谱中还可能用到对离子能量敏感的探测器。在这些探测器中,法拉第杯直接收集离子的电荷,结合其对二次电子逸出的抑制,其线性动态范围大,但灵敏度不高;其他类型的探测器则多是通过转换电极先将离子转换为电子、光子信号后,再进行增益达104~103的倍增放大。

      质谱仪中离子检测器用于检测和记录离子流的强度。无机和同位素质谱的离子检测器通常有法拉第杯、分离打拿极电子倍增器、通道式电子倍增器、微通道板以及闪烁光电倍增器(Daly)等,加速器质谱中还可能用到对离子能量敏感的探测器。在这些探测器中,法拉第杯直接收集离子的电荷,结合其对二次电子逸出的抑制,其线性动态范围大,但灵敏度不高;其他类型的探测器则多是通过转换电极先将离子转换为电子、光子信号后,再进行增益达104~103的倍增放大。


      多数质谱仪的离子检测系统中会同时配置两种或更多的离子信号检测器,且之间可相互切换。在离子信号强时,常常使用法拉第杯进行检测;在离子信号强度<10-15A时,使用电子倍增器。


       质谱测量中常常面临较大丰度差异同位素的测量,加之质谱仪器的离子流信号十分微弱,数据采集系统的线性动态范围和灵敏度非常重要。此外,根据仪器的配置和测试目的不同,数据采集系统也会有较大的差异。如今计算机技术的应用显著提高了数据采集的效率和测试精度。



一、法拉第杯检测器

       法拉第杯是一种设计成杯形状的离子检测器,图1是使用法拉第杯接收离子的工作原理示意。离子进入法拉第杯后产生的电流信号经一个高精度、高阻值的电阻(1010Ω、1011Ω、1012Ω)及一个前置放大器转换为与之信号强度相对应的模拟电压信号,此信号再通过电压频率转换器(UFC)或模/数转换器(ADC)转换成数字信号,最后由计算机进行信号的数据采集和计算。


      为保证放大电路的稳定性、满足对法拉第信号的准确测量,还需为放大器等电子器件提供良好的电磁屏蔽、恒温和真空条件。通常要求UFC和频率计的温度漂移范围小于1×10-6℃ -1.

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图1 使用法拉第杯接受离子的工作原理框图


二、电子倍增器


      电子倍增器是一个能高倍放大微弱离子信号的检测器件。按打拿极的排列方式区分,有分离打拿极式电子倍增器和通道式电子倍增器(CEM)。图2(a)为分离打拿极式电子倍增器的结构示意。当进入电子倍增器的离子轰击di一个电子打拿极(倍增器电极)后,会激发出大量的二次电子,这些电子在电场的作用下会加速继续轰击第二个电极,从而产生更多的电子,而这些电子接着再去轰击第三个电极,如此相继轰击而产生越来越多的二次电子,最后再用一个电子接收器将这些电子信号输出,从而达到放大输入信号的目的。通常一个电子倍增器约有16~20个电子打拿极,可将离子信号放大达104~108倍。

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图2 电子倍增器结构示意图



      通道式电子倍增器又称为连续打拿极电子倍增器,见图2(b),工作原理类似于分离打拿极式电子倍增器。其结构由一个弯曲的漏斗状玻璃管构成,二次电子沿弯管加速,并在对应管内壁连续碰撞出更多的二次电子形成沿弯管逐渐增大的电子流,最后在接收极输出电信号。


      需要注意的是,所有类型的倍增检测器在使用过程中增益都会因使用时间的增长而逐渐变小,这就需要根据仪器灵敏度的要求定期调整倍增器的工作电压,使增益保持在适当的水平。最终,电压达到其使用极限值后,如果增益下降显著,就需要立即更换电子倍增器。

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图3 计数法测量的原理框图


      数字采集通常有模拟和计数两种方式。在一些仪器中,模拟放大器部分设计成积分器形式,此时反馈电阻被去掉,能获得更好的信噪比(SNR)。计数方式一般采用宽带前置放大器结合快甄别器。在飞行时间质谱的数据采集系统中,用时间数字转换器(TDC)替代计数器(见图3)


      随着模拟和数字技术的快速发展及成本的降低智能化数据采集成为一种趋势。来自检测器的模拟信号被快速转换为数字信号,再进行数字滤波、校正以及谱累加等。例如,将来自ADC的数据与设定阈值比较,大于阈值的数据被记录下来,小于阈值的则被认为是噪声而被舍弃从而提高信噪比、减少数据量。采用高阶数字滤波器可实现较为li想的通带频率特性,显著提高信噪比,并降低高频模拟信号电路实现的难度。此外,智能模块化数据采集也减少了给主控计算机的数据量,同时具有更好的可编程特性。


      磁式质谱仪中,多接收器的采用可消除离子源和部分仪器状态随时间波动对测量结果的影响,适用于高精度同位素比值分析。但由于存在不同通道的零点校正和增益差,需在数据采集系统中增加校准回路。典型的校准回路采用精密开关将标准电流分别接入到各前置放大器的输入端,在离子流关断的条件下分别测量各放大器的输出,如图4所示。这些数据被用来校正实际测量过程中各通道间的偏差。

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图4 典型的多通道数据采集校正电路


三、其他类型的离子检测装置

1、闪烁光电倍增器

      闪烁光电倍增器也称戴利(Daly)倍增器,因1960年戴利(Daly)首次使用闪烁晶体和光电倍增管检测带电粒子而得名。和电子倍增器的区别为:入射离子先打到一个离子电子转换电极上,产生和入射离子强度相对应的电子,再由电子去轰击一块闪烁晶体,使其产生和电子强度相对应的光子,最后通过光电倍增管放大光信号,以实现离子信号放大功能。具有高增益、低噪声、线性好等特点,且光电倍增管位于仪器真空系统外面,易于更换。图5为戴利(Daly)倍增器原理示意图。

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图5 戴利(Daly)倍增器原理示意图


2、微通道板检测器(microchannel plate,MCP)

      图6(a)为微通道板检测器结构示意,是一种二维平面的检测器,由大量管径为20m、长度为1mm的微通道管组成,每块板的增益可达104,多块板串联可得到更高的增益。微通道板具有探测面积大、增益高、性能稳定、结构简单等特点。

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图6 微通道板检测器结构示意图

      图6(b)为微通道板上独立的微通道管的电子倍增原理示意。在二次电子穿越通道管的过程中,会多次碰撞通道管的管壁,这样就能连续地产生大量的二次电子。发射层的下方是电阻铅玻璃层,它能在通道管内部产生从输入端到阳极逐渐增高的电势使电子加速,上述过程不停地重复,直到产生的电子云全部离开通道管,被阳极接收。


3、新型的DCD( direct charge detector)平面检测器

      DCD平面检测器被用于多接收电感耦合等离子体质谱(SPECTRO MS公司)中,该检测器同时具有4800个检测通道,可覆盖5~240u的质量范围。

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